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Fluor

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Die Autor*innen
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André Otto
Fluor
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Fluor

Inhalt

Fluor – Chemie

Du weißt bestimmt schon, dass Fluor als das reaktivste aller Elemente gilt. Im folgenden Text erfährst du, warum das so ist und welche weiteren Eigenschaften sich daraus ergeben. Du lernst, wo Fluor im Periodensystem der Elemente (PSE) zu finden ist, erfährst etwas über sein Vorkommen auf der Erde und welche zahlreichen Verbindungen mit Fluor aus unserer heutigen Welt nicht mehr wegzudenken sind. Zum besseren Verständnis solltest du an Vorkenntnissen ein grundlegendes Wissen über Basen, Säuren und Salze mitbringen.

Fluor – Geschichte

Verschiedene fluorhaltige Verbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt. So wusste man beispielsweise bereits um 1556 n. Chr., dass das Mineral Flussspat den Schmelzpunkt von Erzen herabsetzt, es also als sogenanntes Flussmittel eingesetzt werden kann. Daher wurde auch der Beiname für dieses Mineral Fluorit aus dem Lateinischen von fluor für Fluss, das Fließen gewählt.
Bis man allerdings das chemische Element Fluor aus seiner Verbindung isolieren konnte, verging noch sehr viel Zeit, da Fluor so reaktiv ist, dass es sich nur äußerst schwer seinen Verbindungspartnern entreißen lässt. Dies gelang Henri Moissan erst 1886 n. Chr. und war so bedeutend, dass Moissan dafür 1906 n. Chr. sogar den Nobelpreis im Fach Chemie erhielt.

Fluor – Stellung im PSE, Eigenschaften und Verbindungen

Wir finden das Element Fluor im PSE unter dem Symbol $\ce{F}$ in der VII. Hauptgruppe (Halogene) und der 2. Periode. Fluor hat die Ordnungszahl 9 und besitzt dementsprechend jeweils neun Protonen und Elektronen. Seine äußerste Schale ist nach Hauptgruppennummer mit sieben Außenelektronen besetzt. Wie die anderen Elemente der VII. Hauptgruppe benötigt es somit nur ein weiteres Elektron, um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dies ist ein Grund für die hohe Reaktivität von Fluor und seinen Hauptgruppennachbarn Chlor ($\ce{Cl}$), Brom ($\ce{Br}$), Jod ($\ce{I}$) sowie Astat ($\ce{At}$). Bei Raumbedingungen liegt Fluor gasförmig als Molekül ($\ce{F2}$) vor. Nachfolgend findest du weitere wichtige Eigenschaften des Fluors zusammengefasst.

Fluor – Steckbrief

  • Stechend riechendes, ätzendes, blassgelbes Gas
  • Brandfördernd
  • Nichtmetall
  • Schmelzpunkt: $\pu{- 220 °C}$
  • Siedepunkt: $\pu{- 180 °C}$
  • Dichte: $\pu{1,7 g//cm3}$
  • Elektronegativität: $\pu{4,0}$ (höchster Wert)
  • Oxidationszahl: $\pu{- I}$
  • Löst sich nicht in $\ce{H2O}$, sondern reagiert damit
  • Reagiert mit allen Elementen außer Helium ($\ce{He}$) und Neon ($\ce{Ne}$)
  • Sehr starkes Oxidationsmittel

Besonders aufgrund seiner ätzenden als auch brandfördernden Eigenschaften ist Fluor ein gefährlicher Stoff. Im Umgang mit Fluor sind demnach Schutzmaßnahmen einzuhalten.

Fluor – Verbindungen

Wir haben schon gelernt, dass Fluor ein extrem reaktives Element ist. Daher gibt es auch unzählige Fluorverbindungen:

  • Mit $\ce{H2}$ reagiert es zu Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$).
  • Mit Metallen und Halbmetallen werden Fluoride gebildet ($\ce{FeF3}$, $\ce{CuF2}$, $\ce{NiF2}$, $\ce{SiF4}$ und $\ce{SF6}$).
  • Mit Kohlenstoff werden organische Fluoride gebildet ($\ce{CF4}$).
  • Mit Edelgasen (außer Helium und Neon) werden Edelgasfluoride ($\ce{XeF2}$, $\ce{KrF2}$ und $\ce{ArF}$) gebildet.

Fluor – Vorkommen

Die Häufigkeit von Fluor in der Erdkruste beträgt 525 ppm (parts per million). Aufgrund seiner hohen Reaktivität finden wir Fluor jedoch nicht als reines Element, sondern immer gebunden vor. Die häufigste – und namensgebende – Verbindung ist dabei das Mineral Fluorit, auch Flussspat genannt, mit der chemischen Formel $\ce{CaF2}$.

Weitere fluorhaltige Minerale sind Fluorapatit ($\ce{Ca5[F|(PO4)3]}$) und der äußerst seltene Kryolith ($\ce{Na3AlF6}$).

Fluor – Herstellung und Verwendung

Fluor ist ein hochreaktives und sehr gefährliches Element. Daher stellen seine Herstellung sowie generell das Arbeiten mit Fluorverbindungen eine große Herausforderung dar, die unter besonderen Schutzmaßnahmen zu erfolgen haben.

Technische Gewinnung von Fluor

Fluor wird vor allem aus Fluorit gewonnen. Dabei wird in einem ersten Schritt mithilfe von konzentrierter Schwefelsäure Fluorwasserstoff hergestellt.

$\ce{CaF2 + H2SO4 -> CaSO4 + 2HF}$

Fluorwasserstoff dient dann bereits als Ausgangsstoff für die weitere Nutzung. Wird reines Fluor benötigt, muss dieses noch durch weitere aufwendige Verfahren (z. B. Schmelzflusselektrolyse) abgespalten werden. Dabei wird aus einer Mischung aus Kaliumfluorid ($\ce{KF}$) und Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$) über eine Anodenreaktion molekulares Fluor ($\ce{F2}$) sowie Wasserstoff ($\ce{H2}$) erzeugt.
Die Aufbewahrung von Fluorverbindungen geschieht meist in Metallcontainern (bis $\pu{200 °C}$ Eisen, darüber hinaus Nickel). Dabei werden über den Prozess der Passivierung Fluoride gebildet, die dann eine schützende Schicht aufbauen und demzufolge eine weitere Reaktion mit den Metallcontainern verhindern.

Verwendung von Fluor

Fluor tritt in zahlreichen Verbindungen auf und so zahlreich sind auch deren Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. in der Analytik, Erdölindustrie, Halbleiterproduktion, Urananreicherung ($\ce{UF6}$), als Isolatorgas ($\ce{SF6}$) in der Starkstromverteilung oder beim Ätzen von Glas. Auch kennst du sicherlich die Bezeichnung Teflon. Dahinter verbirgt sich die chemische Verbindung Polytetrafluorethen, die hervorragende Antihafteigenschaften besitzt. Allerdings solltest du deine mit Teflon beschichtete Pfanne nie überhitzen ($\pu{< 360 °C}$), da sich Teflon dann zersetzt und giftige, fluorhaltige Gase freigesetzt werden.
Einige weitere Anwendungen sind folgende:

Supersäuren
Viele fluorhaltige Säuren zählen zu den Supersäuren, da sie eine sehr hohe Säurestärke (höher als konzentrierte Schwefelsäure) besitzen – sie sind gute Protonenlieferanten und sehr gut für organische Synthesen geeignet. Beispiele für Supersäuren sind: Tetrafluoroborsäure $\ce{HBF4}$, Hexafluorophosphorsäure $\ce{HPF6}$, Hexafluoroantimonsäure $\ce{HSbF6}$ (sehr stark), der Carborankomplex oder die sogenannte Magische Säure $\ce{FSO3H*SbF5}$, eine Mischung aus Fluorsulfonsäure und Antimon(V)‑fluorid.

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs)
Früher war der Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen, kurz FCKWs, weit verbreitet. Diese Verbindungen nehmen beim Verdampfen eine große Wärmemenge auf und eignen sich daher gut als Kühlmittel. Da sie jedoch sehr reaktionsträge sind, verbleiben sie lange in der Atmosphäre und gelangen dort in höhere Bereiche. Die starke UV-Strahlung führt dann zum Zerlegen der Verbindungen in Chlor- und Fluorradikale, die in großem Maße die uns schützende Ozonschicht zerstören. Abgesehen davon sind FCKWs auch sehr starke Treibhausgase. Daher ist der Einsatz von FCKWs mittlerweile in den meisten Ländern verboten.

Medizinische Bedeutung
In der Zahnmedizin wird Fluor zum Schutz vor Karies eingesetzt. Dabei nutzt man gleich zwei verschiedene Wirkmechanismen. Zähne (und Knochen) bestehen zu einem großen Anteil aus dem Mineral Hydroxylapatit ($\ce{Ca5[OH|(PO4)3]}$), das sehr leicht von Säuren angegriffen werden kann. Beim Fluoridieren der Zähne mit z. B. Natriumfluorid ($\ce{NaF}$) kann die Hydroxylgruppe des Hydroxylapatits durch Fluor ersetzt werden und so den Zahnschmelz remineralisieren, der dann eine größere Resistenz gegenüber Säuren hat. Darüber hinaus hemmt Fluorid auch das Wachstum von Karies verursachenden Bakterien und bietet so einen weiteren Schutz.

In der Krebsdiagnostik wird das Isotop $\ce{^18F}$ für die sogenannte Positronenemissionstomografie (PET) eingesetzt. Diese macht Stoffwechselvorgänge im Körper sichtbar und erkennt vor allem Gewebe mit einem erhöhten Zuckerverbrauch, was auf Krebszellen schließen lässt. Dabei wird die Verbindung Fluordesoxyglucose eingenommen, die sich vorwiegend in Tumorgewebe anreichert. Das enthaltene radioaktive $\ce{^18F}$ zerfällt dann dort sehr schnell (Halbwertszeit 110 Minuten) zu $\ce{^18O}$, wobei Positronen emittiert und detektiert werden können.

Fluor – Bedeutung

Fluor und viele seiner Verbindungen sind sehr gefährlich und umwelt- bzw. gesundheitsschädlich. Dennoch hat Fluor eine sehr große Bedeutung und ist für etliche chemische und technische Prozesse unerlässlich geworden.

Dieses Video

In diesem Video geht es um das chemische Element Fluor. Dazu werden die wichtigsten Aspekte des Elements wie seine Entdeckung, sein mineralisches Vorkommen, seine Stellung im PSE sowie seine Herstellung und Eigenschaften beschrieben. Außerdem erfährst du etwas über die spezifischen Reaktionen, die das Fluor zu einem besonderen Element machen, das sogar mit Edelgasen reagieren kann. Du erfährst, was FCKWs und Supersäuren sind, und lernst weitere Anwendungsmöglichkeiten von Fluor kennen.

Transkript Fluor

Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das chemische Element Fluor. Das Video gehört zur Reihe Elemente. An Vorkenntnissen solltest du mindestens die Chemie der Basen, Säuren und Salze gut beherrschen. Ich möchte dir in diesem Video einen kurzen Überblick über das chemische Element Fluor und seine Verbindungen geben. Der Film besteht aus 10 Abschnitten: 1. Entdeckung 2. Vorkommen 3. Stellung im Periodensystem der Elemente 4. Herstellung und Eigenschaften 5. Reaktionen 6. Fluorchemie 7. FCKW 8. Supersäuren 9. Verwendung 10. Zusammenfassung 1. Entdeckung 1886 wurde Fluor durch den französischen Chemiker Henri Moissan entdeckt. Das war sehr spät, denn Brom kannte man schon mehr als 60 Jahre. Die Ursache dafür besteht in den chemischen Eigenschaften des Fluors. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes ein chemischer Räuber. Das Element ist sehr reaktiv und lässt sich nur schwer seinen Verbindungen entreißen.  2. Vorkommen Die Erdhülle besteht nur aus 0,028% Fluor. Es gibt verschiedene Minerale des Fluors: Flussspat (auch Calcit genannt), Kryolith oder Fluorapatit.  3. Stellung im Periodensystem der Elemente Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Element Fluor an dieser Stelle. Es ist Element der 7. Hauptgruppe des Periodensystems. Die 7. Hauptgruppe nennt man auch die Halogene. Fluor ist ein typisches Nichtmetall. In den Verbindungen tritt es nur mit der Oxidationszahl -1 auf. Das chemische Symbol lautet F. Fluor hat die höchste Elektronegativität aller chemischen Elemente: 4,0. Elementar tritt Fluor als Molekül auf: F2.  4. Herstellung und Eigenschaften Hergestellt wird Fluor à la Moissan durch Schmelzflusselektrolyse. Kaliumfluorid und Fluorwasserstoff werden vermischt. Es kommt zur Anodenreaktion. 2 Fluoridionen reagieren zu einem Fluormolekül unter Abgabe von 2 Elektronen. Fluor ist ein sehr gefährliches Gas. Es ist sehr giftig, ätzend und brandfördernd. Fluor ist schwach gelb. Links sehen wir Sauerstoff, rechts ist Chlor und in der Mitte ist Fluor. Fluor schmilzt bei -219°C und siedet bei -183°C. Im gasförmigen Zustand stehen die Dichten von Luft und Fluor im Verhältnis von 29:38. Flüssiges Fluor hat eine Dichte von etwa 1,5g/cm³. Fluor löst sich nicht in Wasser, es reagiert damit. 5. Reaktionen Fluor ist ein sehr starkes Oxidationsmittel. Es reagiert mit fast allen Elementen. Ausnahmen sind die Edelgase Helium, Neon und zum Teil Argon. Fluor bildet mit den Metallen Fluoride, bestimmte Salze: CoF2, CuF2, FeF3, MgF2 und NiF2. Kann man denn dann Fluor in Reaktionsgefäßen aufbewahren? Bis 200°C kann Eisen dafür durchaus dienen. Über 200°C verwendet man Nickel. Der Grund besteht in der Passivierung. Es bilden sich entsprechende Fluoride, die eine weitere Reaktion des Metalls verhindern. Betrachten wir nun die wichtigsten Reaktionen dieses starken Oxidationsmittels in der Übersicht. Mit Metallen, das haben wir bereits gesehen, bilden sich Fluoride. Mit Nichtmetallen entstehen auch bekannte Verbindungen. Selbst mit Wasser reagiert Fluor, wobei Fluorwasserstoff und Sauerstoff frei werden. Wasserstoff reagiert mit Fluor selbst bei -250°C noch explosionsartig. Chloride werden durch Fluor oxidiert. Es entsteht elementares Chlor. Und auch die Edelgase bleiben nicht verschont. Es gibt Fluoride bis Xenons: KrF2 und auch metastabiles ArF.  6. Fluorchemie Fluor unterscheidet sich von den chemischen Elementen Chlor, Brom und Iod durch seine Reaktivität. Es ist einfach zu reaktiv. Eine gesteuerte Fluorierung ist nicht möglich. Deshalb benutzt man Umwege, um Fluor einzufügen. Eine Möglichkeit ist die Reaktion eines Halogenalkans mit Quecksilber-I-fluorid. Das Halogen Chlor, Brom oder Iod wird gegen Fluor ausgetauscht. Eine zweite Möglichkeit ist die Zersetzung dieser Verbindung durch Wärme. Es entsteht Fluorbenzol. Stickstoff und Bortrifluorid werden abgespalten. Bei dem Salz handelt es sich um ein Diazoniumsalz.  7. FCKW Das ist die Abkürzung für Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Früher wurden diese als Treibgase oder Kältemittel eingesetzt. Heute sind sie in den meisten Ländern verboten, da sie die Ozonschicht der Erde zerstören. Ich habe eine schöne Animation einer Prognose gefunden, was mit der Ozonschicht passiert, wenn mit FCKW weitergearbeitet worden wäre. Je blauer das Bild, umso stärker ist die Ozonschicht zerstört.  8.Supersäuren Supersäuren sind stärker als Schwefelsäure. Sie sind gute Protonenlieferanten und daher für die organische Synthese gut geeignet. Ich möchte einige gewichtige Supersäuren aufzählen: HBF4, HPF6, HTAF6, FSO3H, HSbF6. Das ist eine sehr starke Supersäure. FSO3H in Kombination mit Antimonpentafluorid, die berühmte magische Säure. Und schließlich, um die Jahrtausendwende, wurde der berühmte supersaure Carborankomplex entdeckt. 9. Verwendung Wir haben schon kurz über Fluorwasserstoff gesprochen. In wässriger Lösung bildet sich die Flusssäure. Hergestellt wird Fluorwasserstoff durch Reaktion von Calciumfluorid mit Schwefelsäure. Fluorwasserstoff und Flusssäure sind äußerst gefährlich. Sie sind giftig und umweltschädlich. Eingesetzt wird Fluorwasserstoff für das Ätzen von Glas. Auch in der Halbleiterproduktion findet sie Verwendung. Und auch in der Erdölindustrie wird Flusssäure eingesetzt. Fluor wird zur Fluorierung eingesetzt, um die Zähne vor Karies zu schützen. Ein großes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Fluorpolymeren, unter anderem von Teflon. Uranhexafluorid benutzt man bei der Urananreicherung. Schwefelhexafluorid ist eine Verbindung, die bei der Starkstromverteilung benötigt wird. Einige in der chemischen Synthese wichtige Lewis-Säuren enthalten Fluor, z. B. Aluminiumfluorid und Borfluorid. Graphitfluorid hat Bedeutung, und zwar als widerstandsfähiges Schmiermittel. Nafion ist eine feste Supersäure und ist in der organischen Synthese sehr wichtig. Das Fluor-Isotop 18 wird in der Krebsuntersuchung verwendet. 10. Zusammenfassung Fluor und viele seiner Verbindungen sind sehr gefährlich und umweltschädigend. Für die menschliche Gesellschaft jedoch besitzen sie große Bedeutung. Ich bedanke mich für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen. 

Fluor Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fluor kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle wichtige Informationen zum Element Fluor zusammen.

    Tipps

    Nutze, falls nötig, ein Tafelwerk/PSE.

    Lösung
    • Fluor ist weit aus reaktiver als die anderen Halogene seiner Hauptgruppe. Es besitzt mit 4,0 die höchste Elektronegativität. Es kommt wie alle Halogene molekular vor $F_2$. Das Element ist bei Raumtemperatur gasförmig.
    • Große Vorkommen des Minerals Fluorit $CaF_2$ befinden sich in China, Mexiko und Spanien.
    • Es gibt sogar einige Pflanzen, die fluororganische Verbindungen herstellen können. Diese werden in den Blättern eingelagert und dienen der Abwehr von Fressfeinden.
  • Beschreibe die Herstellung von Fluor.

    Tipps

    An der Anode entsteht das Gas.

    Lösung

    Ein Elektrolyseverfahren ist die Schmelzflusselektrolyse. Bei ihr nutzt man keine wässrige Phase. Sie kommt zur Anwendung, wenn z. B. Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe unter dem Oxonium-Ion stehen.

    Bei der Elektrolyse nehmen Kationen an der Kathode Elektronen auf. An der Anode hingegen findet eine Oxidation statt und es werden Elektronen frei (siehe Animation).

    Wird also an ein Gemisch aus Fluorwasserstoff und Kaliumfluorid eine Spannung angelegt, dann wandern die negativ geladenen Fluorid-Ionen zur Anode und werden dort oxidiert. Es entsteht das Gas Fluor.

  • Vervollständige die Reaktionsgleichungen.

    Tipps

    Überlege dir, welche Edukte benötigt werden.

    Lösung

    Fluor bildet mit vielen Metallen Salze, die sogenannten Fluoride. Sind diese Salze Übergangsmetallsalze, also aus Metallen der Nebengruppen gebildet, dann zeigen diese oft eine charakteristische Farbe. Das Cobalt(II)-fluorid ist so zum Beispiel rot und das Kupfer(II)-fluorid blau. Entstehen können diese Salze z.B. durch Reaktion von Choriden mit Flusssäure. Fluoride finden vielfältig Anwendung:

    • Cobalt(II)-fluorid kann als Katalysator verwendet werden.
    • Kupfer(II)-fluorid kann zur Fluorierung von Kohlenwasserstoffen genutzt werden. Dazu sind allerdings hohe Temperaturen nötig.

  • Bestimme die Produkte zu den Edukten.

    Tipps

    Achte darauf, dass ausgeglichen wurde.

    Lösung

    Fluor ist sehr reaktionsfähig. Auch die Flusssäure $HF$ reagiert mit einer Reihe von Verbindungen. Dabei entstehen oft Metallfluoride und Nichtmetallfluoride.

    • Magnesiumfluorid ist farb- und geruchlos. Da es chemisch sehr stabil ist, kann es nur von heißer Schwefelsäure angegriffen werden.
    • Eisen(III)-fluorid ist ein hellgrüner Feststoff, der in Wasser nur sehr schwer löslich ist.
    • Tetrafluormethan ($CF_4$) ist ein farb- und geruchloses Gas. Es kann auch folgendermaßen hergestellt werden:
    • $2 CO$ + $4 F_2$ $\longrightarrow$ $ 2 CF_4$ + $ O_2$

  • Unterscheide die Merkmale von Fluorwasserstoff und FCKW.

    Tipps

    FCKWs wurden als Treibmittel genutzt.

    Lösung
    • FCKW ist die Kurzform für Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Diese wurden in Spraydosen (z.B. für Deo oder Haarspray) eingesetzt. Da die Ozonschicht durch FCKWs geschädigt wird, nutzt man heute Alkane, wie zum Beispiel Propan oder n-Butan.
    • Flusssäure ist farblos und riecht stechend. Im Vergleich zu Salzsäure ist sie eine schwache Säure, dennoch ist sie sehr gefährlich. Da sie Glas und Metalle ätzt, wird sie in Kunststoff- oder Edelstahlbehältern aufbewahrt.
  • Stelle die Reaktionsgleichungen zur Herstellung von Supersäuren auf.

    Tipps

    Vergiss nicht, die Gleichung auszugleichen.

    Lösung

    Mit Flusssäure lassen sich eine ganze Reihe von Supersäuren synthetisieren:

    • Aus dem Namen Tetrafluorborsäure ergibt sich die Summenformel $HBF_4$. Die Säure ist eine farblose, wässrige Lösung. Sie wird genutzt für die Synthese fluorierter Aromate. Sie lässt sich entweder aus Borsäure oder aus Bortrifluorid herstellen.
    • Fluorsulfonsäure ist eine farblose Flüssigkeit, die mit Wasser explosionsartig reagiert. Sie gehört zu den bekanntesten und stärksten Brönsted-Säuren. Sie entsteht durch die Synthese von Chlorsulfonsäure mit Flusssäure oder aus Schwefeltrioxid mit Flusssäure.

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